阿斯巴甜分子甜味穩(wěn)定性研究綜述

劉 菁

（上海市材料工程學(xué)校 上海 200231）

1 引言

阿斯巴甜（Aspartame,APM,C14H18O5），化學(xué)名N-α-L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯(CAS 22839-47-0,分子量 294.31)，是目前市面上使用比較普遍的一種二肽類(lèi)的人工甜味劑，它已經(jīng)在100多個(gè)國(guó)家使用，我國(guó)于1986年批準(zhǔn)在食品和飲料中使用。APM的最主要的優(yōu)勢(shì)是不會(huì)產(chǎn)生齲齒，不影響血糖、低熱量、高甜度、甜味純[1]。它優(yōu)于其他人工甜味劑的另一個(gè)更重要原因是APM有增香的效果，特別對(duì)酸性的柑橘、檸檬和柚子櫻桃等飲料有顯著延長(zhǎng)香味的作用。APM在pH=3～5條件下相對(duì)比較穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是怕強(qiáng)酸堿、長(zhǎng)時(shí)間加熱條件下會(huì)失去甜味甚至產(chǎn)生苦味。因此，APM常用于偏酸性的冷飲料中，pH＞5的液態(tài)食品或長(zhǎng)時(shí)間熱加工（如高溫焙烤、煎炸）都不適合使用APM。因此，分析APM分子不穩(wěn)定性的原因尤為重要，通過(guò)改進(jìn)，增加APM分子熱穩(wěn)定性和耐堿性，使其應(yīng)用于更多食品加工領(lǐng)域中，也能對(duì)未來(lái)研究二肽類(lèi)高穩(wěn)定性甜味劑提供研究思路和參考。

2 APM分子變化造成失甜的研究

研究表明，由于APM分子結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致與受體結(jié)合位點(diǎn)的變化使甜味的消失。影響APM分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素主要有溫度、水、pH等。

干燥條件下，固體APM的穩(wěn)定性較好，保質(zhì)期可以達(dá)到2000天[1]，但是在有水的條件下、較高的溫度和pH就會(huì)對(duì)APM的結(jié)構(gòu)造成影響，導(dǎo)致不同程度的失甜。

首先，溫度會(huì)對(duì)APM分子造成較大的影響。蕈曉等[2]測(cè)試了在中性條件下，不同濃度的APM溶液在不同加熱溫度、不同加熱時(shí)間里的甜度的變化：在加熱溫度達(dá)到100 ℃后，甜度會(huì)下降，當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，甜度下降到將近原來(lái)的一半；加熱溫度越高，甜度越低，當(dāng)加熱溫度達(dá)到120 ℃或以上，加熱時(shí)間超過(guò)30 min時(shí)，甜度完全喪失。

其次，pH也是導(dǎo)致APM失甜的主要因素。陳剛等[3]做了更深入的熱穩(wěn)定性研究，分析了溫度、pH和加熱時(shí)間對(duì)于APM熱穩(wěn)定性的影響，以及APM水解產(chǎn)物苯丙氨酸含量增加與APM含量減少之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)pH在5時(shí)穩(wěn)定性最好，pH=6時(shí)水解率最高，當(dāng)加熱到170 ℃，APM分子幾乎全部破壞。Yakici等[4]研究含等量APMpH分別為2.75、3.25、4.57軟飲料，pH=2.75飲料中APM最不穩(wěn)定，pH=4.57最穩(wěn)定。因此APM在強(qiáng)酸或中性甚至堿性條件都下不穩(wěn)定。

2.1 APM分子水解造成失甜

苯丙氨甲酯中的甲基作為最重要的疏水基團(tuán)具有助甜作用，一旦水解，APM分子將失去甜味[5]，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液和高溫都會(huì)造成酯鍵的水解，這也是APM分子不穩(wěn)定易失甜的主要原因之一。酰胺鍵的水解會(huì)使APM分子失甜，由于酰胺鍵水解生成天冬氨酸和苯丙氨酸，根據(jù)Shallenberger AH/B/X理論，氨基（-NH3）即供氫體AH和羧基（-COOH）即電負(fù)性強(qiáng)基團(tuán)B原本距離0.3 nm(3)破壞，導(dǎo)致無(wú)法與甜味受體結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，失去甜味[6]。APM水溶液在強(qiáng)堿或強(qiáng)酸條件下，或者在生物酶的作用下，可以全部水解。

2.2 APM分子環(huán)合造成失甜

APM在烘焙產(chǎn)品中會(huì)失去甜味（一般烘焙溫度處于453～473 K），Magdalena Jaworska等[7]的研究中發(fā)現(xiàn)，APM固體在高溫條件下(大于463 K)分子內(nèi)脫水形成環(huán)合二酮哌嗪，同時(shí)甲酯鍵斷裂，同核質(zhì)子兩極偶極化，形成新的電子自旋動(dòng)力規(guī)律即氨基端（NH3+）的酸性氫質(zhì)子轉(zhuǎn)移到失去甲基的羰基O上。環(huán)合產(chǎn)物二酮哌嗪產(chǎn)生苦味，其解釋可以借鑒Kubota的內(nèi)氫鍵學(xué)說(shuō)，環(huán)合氨基和羰基的距離變小產(chǎn)生內(nèi)氫鍵，使得二酮哌嗪分子疏水性增強(qiáng)，無(wú)法和甜味基團(tuán)位點(diǎn)形成氫鍵(環(huán)合產(chǎn)物見(jiàn)圖2～3)。二酮哌嗪的六元環(huán)含有兩個(gè)N，圓環(huán)不在一個(gè)平面上，產(chǎn)生的扭角力導(dǎo)致內(nèi)酰胺鍵易斷裂。這些變化破壞了原本與甜味受體相連接的固定位點(diǎn)（H鍵的結(jié)合點(diǎn)），導(dǎo)致甜味消失。APM環(huán)合產(chǎn)物二酮哌嗪分子空間結(jié)構(gòu)及斷鍵位置見(jiàn)圖1。

圖1 APM環(huán)合產(chǎn)物二酮哌嗪分子空間結(jié)構(gòu)及斷鍵位置

2.3 APM分子構(gòu)象異構(gòu)造成失甜

由于環(huán)境因素，如溫度的漲落、分子的頻繁碰撞及化學(xué)生物作用，少量APM分子會(huì)發(fā)生構(gòu)象異構(gòu)。

以往研究發(fā)現(xiàn)只有L,L型APM具有強(qiáng)甜味，若變成D,L或L,D、DD型就完全不能和甜味受體結(jié)合，甚至產(chǎn)生苦味，主要原因可能是手性C上的H的翻轉(zhuǎn)，造成氨基（AH）和羰基（B）位置互換，破壞了結(jié)合位點(diǎn)規(guī)律。根據(jù)苦味三點(diǎn)接觸理論，Temussi的AH/B基團(tuán)在立體結(jié)構(gòu)上相反時(shí)，會(huì)有甜味和苦味的變化，使得原來(lái)左旋體APM甜味變成異構(gòu)體后的苦味，圖2圈出部分是位于APM分子中的兩個(gè)手性碳。按照閆紅顏等[8]對(duì)天冬氨酸對(duì)映異構(gòu)體的轉(zhuǎn)變機(jī)理分析，見(jiàn)圖3，手性碳1C中的12H以5N為橋梁，在三分子水和羥基自由基作質(zhì)子遷移媒介催化劑，12H從1C的一側(cè)轉(zhuǎn)到另一側(cè)實(shí)現(xiàn)從L型轉(zhuǎn)變成D型。苯丙酰胺部位翻轉(zhuǎn)機(jī)理是在雙水協(xié)同作用下L -Phe-OMe分子手性2C上的H原子以羧基上的O原子為橋，轉(zhuǎn)移至手性C原子的另一側(cè)，實(shí)現(xiàn)從L型到D型苯丙氨酸分子的手性轉(zhuǎn)變[9]。

圖2 α-L,L-APM的兩個(gè)手性碳（紫色）

圖3 12H翻轉(zhuǎn)后的D-Asp部分

3 提升APM分子穩(wěn)定性的研究探索

根據(jù)以往研究者對(duì)APM分子結(jié)構(gòu)改造，很多僅限于研究甜度的大小，對(duì)熱穩(wěn)定性的研究較少，但是根據(jù)甜味呈味機(jī)理及失甜原因，通過(guò)結(jié)構(gòu)改造后的APM衍生物可能會(huì)更穩(wěn)定。目前對(duì)APM分子改造的研究有對(duì)R1、R2進(jìn)行取代，見(jiàn)圖4。

圖4 APM分子結(jié)構(gòu)改造取代基位置

3.1 APM分子取代基R1改造研究

為了防止APM分子環(huán)合或構(gòu)象異構(gòu)，科研工作者嘗試各種方法對(duì)APM分子進(jìn)行改造，大部分研究工作是對(duì)APM分子天冬酰胺部分的α-NH2上的一個(gè)H的取代研究，N原子上如果兩個(gè)H都被取代，會(huì)破壞AH結(jié)構(gòu)造成失甜。紐甜是在APM分子的R1位置取代了3，3-二甲基丁基，已被證明甜度更高，穩(wěn)定性也優(yōu)于APM，pH 4～6水溶液相對(duì)保存率高于APM，且溫度在90 ℃以?xún)?nèi)較穩(wěn)定，瞬間高溫對(duì)其結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞作用[10]。Kumari A等[11]對(duì)含有APM和紐甜的酸奶進(jìn)行巴氏殺菌（90 ℃/20 min）比較，通過(guò)HPLC測(cè)定APM的損失率達(dá)到了40%，紐甜只有8%，而對(duì)于高溫滅菌操作（121 ℃/15 min），APM全部破壞，紐甜還有50.5%分子保持完整。姜土等[12]對(duì)R1進(jìn)行改造，先后合成出了3種含鹵素APM衍生物：N-（對(duì)氯苯甲基）-APM、N-（間氯苯甲基）-APM和N-（鄰氯苯甲基）-APM，多出了Cl與甜味受體的結(jié)合位點(diǎn)，甜度均高于APM。吳美紅等[13]合成了N-[3-(3-羥基-4-甲氧基苯基)丙基]-APM，由于取代基R1上又多出了OCH3和-OH與甜味受體結(jié)合位點(diǎn)，甜度是蔗糖的22000倍，大大高于APM，同時(shí)穩(wěn)定性也更好。李艷波等[14]合成了N-［N-［3-(2-乙?；?3，6-二甲基苯基)-3-甲基丁基］-L-α-天冬氨酰］-L-苯丙氨酸1-甲酯，其穩(wěn)定性在酸性或中性水溶液中較高，同時(shí)甜度是APM的150倍。白德發(fā)等[15]在R1引入了4-甲氧基苯基合成了3-（4-甲氧基苯基）-丙基APM，甜度及穩(wěn)定性相當(dāng)于紐甜，均高于APM。這些衍生物氨基取代較大基團(tuán)能造成空間位阻，在一定程度上阻礙了分子環(huán)合和翻轉(zhuǎn)增加分子穩(wěn)定性，同時(shí)又增加了與甜味受體的疏水結(jié)合位點(diǎn)，甜度大大提升。

3.2 APMR2的取代研究

早期，研究者們就對(duì)二肽類(lèi)人工甜味劑APM的Phe-COR2進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，將原本酯鍵變成了酰胺鍵，增加其穩(wěn)定性，同時(shí)連接6元環(huán)結(jié)構(gòu)，基于Newman六數(shù)規(guī)律且從肽鍵C=O開(kāi)始數(shù)到分子結(jié)束需要9個(gè)原子的長(zhǎng)度即曾廣植C9律，R2取代連接基團(tuán)結(jié)構(gòu)可以是環(huán)己烷類(lèi)，也可以是苯環(huán)類(lèi)見(jiàn)表3-1，符合這兩個(gè)規(guī)律的二肽糖被證明有明顯甜度，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

表1 R2取代基的結(jié)構(gòu)、甜度與穩(wěn)定性

日本味之素公司研發(fā)出愛(ài)德萬(wàn)甜，基于紐甜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上即R1上取代了3,3-二甲基丁基，R2基團(tuán)取代了3-羥基-4-甲氧基苯基，甜度提升到蔗糖的20000倍；胡南等[16]基于以上思路，利用天冬氨酸和半胱氨酸進(jìn)行二肽合成及結(jié)構(gòu)修飾合成了40000倍蔗糖甜度的新型甜味劑N-{N-[3-(3-羥基-4-甲氧基)丙基]-L-α-天冬氨酰}-S-叔丁基-L-半胱氨-1-甲酯，也是目前國(guó)內(nèi)甜味最高的二肽人工合成甜味劑。

3.3 APM分子成鹽增加穩(wěn)定性

不變動(dòng)APM分子，將其做成鹽也是穩(wěn)定構(gòu)象的一個(gè)方法。西班牙專(zhuān)利85.547.855中公開(kāi)了鹽酸和一系列甜味劑形成鹽，不僅增加了APM的水溶性，同時(shí)引入HCl能增加水溶液的酸性從而增加APM的穩(wěn)定性。王三永等[17]制備了雙甜-雙氧嗯噻嗪酸與APM分子成鹽，雙甜的甜度是蔗糖的340倍左右，沒(méi)有吸濕性，在70～80 ℃下或較高溫度下比APM有更好的穩(wěn)定性。一般考慮成鹽物質(zhì)為一些無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸或者酸性的甜味劑，分析成鹽增加穩(wěn)定性的可能原因是鹽更利于分子形成規(guī)則的結(jié)晶體，易溶于水，酸性水溶液能較好穩(wěn)定APM分子。

3.4 其他增加APM分子穩(wěn)定性的研究

Matthias A.Guentert[18]提到了風(fēng)味改良劑，不僅能改善甜味劑的優(yōu)良風(fēng)味，延長(zhǎng)甜度，而且還能防止失甜。因此，增加APM分子穩(wěn)定性，除改造APM分子結(jié)構(gòu)、與酸或酸性甜味劑成鹽以外，穩(wěn)定改良劑的應(yīng)用也具有十分廣泛的前景，改良劑分子能包裹穩(wěn)定APM分子，例如朱甜甜等[19]研究了β-環(huán)糊精可以穩(wěn)定APM分子，具有較高包結(jié)常數(shù)，APM苯環(huán)進(jìn)入β-環(huán)糊精空腔，由儀器分析β-環(huán)糊精結(jié)合APM能提高APM的甜穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

此外，Chiara Fasciani等[20]運(yùn)用APM與等離子體光熱性納米結(jié)構(gòu)雙金屬（金-銀）結(jié)合，不但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定同時(shí)也具有良好的水溶性和卓越的抑菌效果。由此可以判定，APM分子與金屬螯合可以形成穩(wěn)定分子，楊云裳等[21]對(duì)APM和鋅、銅、鈣和亞鐵進(jìn)行螯合研究，發(fā)現(xiàn)與鈣螯合不易吸潮、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、亞鐵易吸潮，螯合率最大為亞鐵73.6%，最小為鈣28.6%。APM金屬絡(luò)合物，由于與金屬形成絡(luò)合鍵產(chǎn)生締合作用從而穩(wěn)定APM分子構(gòu)型，達(dá)到穩(wěn)定分子效果。Karim Mahnam等[22]研究了APM與Cd2+, Fe2+, Zn2+,Ca2+,Na+金屬陽(yáng)離子的結(jié)合主要發(fā)生在羰基部位，與Cd的結(jié)合力最強(qiáng)，Na最弱；Shahabadi N等[23]研究發(fā)現(xiàn)APM與Cu2+的復(fù)合物（Cu(APM)2Cl2·2H2O）具有比APM更高的熱力學(xué)參數(shù)，同時(shí)與人體血清蛋白鍵結(jié)合更強(qiáng)。因此，金屬陽(yáng)離子能穩(wěn)定APM結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能增加其與蛋白的結(jié)合力。

4 結(jié)語(yǔ)

APM作為二肽類(lèi)甜味劑因其優(yōu)質(zhì)的甜味口感，被大眾喜愛(ài)，但是它容易受熱、水和pH的影響造成失甜或產(chǎn)生苦味，主要原因是APM分子發(fā)生了如下變化：（1）酯鍵水解和酰胺鍵水解；（2）分子環(huán)合形成二酮哌嗪；（3）構(gòu)象異構(gòu)導(dǎo)致APM分子與人體甜味受體結(jié)合位點(diǎn)的改變和破壞?；谏鲜隹赡苁鸬脑颍偨Y(jié)了對(duì)APM甜穩(wěn)定性的改進(jìn)方法：（1）分子R1、R2改造：使氨基接入R1大基團(tuán)，形成空間位阻，阻止環(huán)合與異構(gòu)的發(fā)生，R2的取代替代了甲酯鍵，形成甜味更高更穩(wěn)定的分子；（2）成鹽：與酸性甜味劑或酸成鹽，使分子溶于水形成弱酸性條件，防止APM分子水解；（3）添加風(fēng)味改良劑如環(huán)糊精或與金屬螯合（Fe2+、Ca2+）等。綜上所述，通過(guò)對(duì)APM從分子層面呈甜和失甜機(jī)理剖析，提出可能的甜穩(wěn)定性分子改進(jìn)方法，為將來(lái)新型二肽類(lèi)穩(wěn)定型APM衍生物的研究提供科學(xué)參考與借鑒。